Formation et structure du four à arc électrique à courant continu

Formation et structure du four à arc électrique à courant continu

Introduction à Fours à arc électrique

Un four à arc électrique est un récipient métallurgique qui utilise la chaleur intense générée par un arc électrique pour fondre et affiner les métaux. À l'intérieur du four, un ou plusieurs arcs soutenus sont établis. Grâce à la décharge d'arc, l'énergie électrique est efficacement transformée en énergie thermique nécessaire pour chauffer et traiter la charge. La température exceptionnellement élevée de l'arc, combinée à sa forte densité de puissance, son excellent rendement électrothermique et la relative facilité de contrôle de l'atmosphère et des opérations du four, fait du four à arc un outil industriel polyvalent. Il est particulièrement adapté à la fusion des métaux réfractaires et à la production de matériaux spéciaux de haute qualité.

Classification des fours à arc électrique

Les fours à arc industriels sont principalement classés en trois types en fonction de la façon dont l'arc interagit avec la charge :

1.  Four à arc direct : L'arc est établi directement entre l'électrode(s) et la charge métallique, la chauffant par impact direct. Cette catégorie comprend :

       Fours à arc triphasés à courant alternatif pour la fabrication d'acier

       Fours à arc électrique à courant continu (CC)

       Fours à arc à électrode consommable sous vide (VAR)

2.  Four à arc indirect : L'arc est formé entre deux électrodes, et la charge est chauffée indirectement par rayonnement de l'arc. Historiquement utilisés pour les alliages de cuivre, ces fours ont été largement remplacés en raison d'inconvénients tels que le bruit élevé et la qualité de fusion incohérente.

3.  Four à arc submergé (SAF) : Les électrodes sont partiellement enfouies dans une charge de minerai et de carbone, l'arc se produisant à l'intérieur de la charge elle-même, principalement utilisé pour la production de ferroalliages.

Ce document se concentre sur la formation et la structure du four à arc électrique à courant continu.

La nature de l'arc électrique

Un arc électrique est une forme de décharge de gaz, plus précisément une décharge auto-entretenue (auto-excitée). Ses caractéristiques clés comprennent une chute de tension relativement faible (dizaines de volts), une densité de courant extrêmement élevée (centaines d'ampères par centimètre carré), l'émission d'une lumière intense et la génération de chaleur concentrée à des températures très élevées.

Dans un four à arc, l'arc est principalement un phénomène de conduction dans un gaz (y compris la vapeur métallique), initié par l'émission thermoïonique d'électrons à partir d'une cathode chaude (la pointe de l'électrode). Pour qu'un gaz devienne conducteur, il doit subir une ionisation, produisant des particules chargées : des ions chargés positivement et des électrons chargés négativement (ou, moins communément, des ions négatifs). Cet état de la matière ionisée, quasi-neutre, où les charges positives et négatives sont équilibrées, est appelé plasma. Par conséquent, l'arc est fondamentalement un plasma d'arc.

Mécanismes d'ionisation du gaz dans l'arc

L'ionisation nécessaire pour maintenir le plasma d'arc est générée par plusieurs mécanismes :

1.  Ionisation par collision (mécanisme principal) : Les électrons à haute énergie émis par la cathode chaude sont accélérés par le champ électrique. Lorsque ces électrons entrent en collision avec des molécules de gaz neutres, ils peuvent transférer suffisamment d'énergie pour arracher d'autres électrons, créant des ions positifs et des électrons libres supplémentaires.

2.  Ionisation thermique : Aux températures extrêmement élevées à l'intérieur de la colonne d'arc, les molécules et les atomes de gaz possèdent une énergie cinétique substantielle. Les collisions entre ces particules énergétiques peuvent directement provoquer une ionisation.

3.  Photoionisation : Les atomes peuvent absorber des photons à haute énergie (lumière de l'arc lui-même) et devenir ionisés. Bien que présente, il s'agit généralement d'une voie d'ionisation secondaire.

4.  Ionisation induite par le champ (avalanche) : Il s'agit d'un processus de réaction en chaîne. Les particules initialement ionisées (électrons et ions) sont accélérées par le champ électrique, gagnant de l'énergie cinétique. Lorsqu'elles entrent ensuite en collision avec des particules neutres, elles provoquent une ionisation supplémentaire, créant de nouvelles particules chargées. Ces nouveaux porteurs sont eux-mêmes accélérés, conduisant à davantage de collisions et d'ionisation—un effet « avalanche » qui maintient le plasma.

       L'efficacité de ce processus dépend de l'intensité du champ électrique et du libre parcours moyen des particules. Un champ plus fort transmet plus d'énergie. Un libre parcours moyen plus long (favorisé par une densité de gaz plus faible/conditions de vide et la petite taille des électrons) permet aux particules d'accélérer à des énergies plus élevées avant d'entrer en collision, augmentant la probabilité d'ionisation. Les électrons, en raison de leur petite masse et de leur petite taille, jouent le rôle dominant dans l'ionisation induite par le champ.

Équilibre d'ionisation

Il est essentiel de noter qu'au sein de l'arc stable, un équilibre dynamique existe. Le processus continu d'ionisation (création de particules chargées) est équilibré par le processus opposé de recombinaison (où les ions positifs et les électrons se recombinent pour former des particules neutres). Cet équilibre maintient un degré spécifique et stable d'ionisation au sein du plasma d'arc dans des conditions de fonctionnement données.

Nous sommes un fabricant professionnel de fours électriques. Pour toute demande de renseignements, ou si vous avez besoin de fours à arc submergés, de fours à arc électrique, de fours de raffinage en poche ou d'autres équipements de fusion, n'hésitez pas à nous contacter à  susan@aeaxa.com